PLC在数控机床控制系统中的应用.docx
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PLC在数控机床控制系统中的应用
题目PLC在数控机床控制系统中的应
用
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PLC在数控机床控制系统中的应用
摘要：
近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈
广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的
综合优势是其它工控产品难以比拟的。
随着PLC技术的发展,
它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越
多。
在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加
工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。
永宏
FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序
的设计和调试相当方便。
本文提出的是如何应用永宏PLC的NC定位控制实现
机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行
中是切实可行的。
整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬
件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性
能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的
相关数控机床设计改造借鉴。
关键词：
PLC；数控机床控制系统；应用；维护
前言
可编程序控制器（PLC）主要以计算机的微处理器为基础，综合计算机的应用技术、通讯技术以及自动控制技术而
发展起来的一种通用控制器。
虽然PLC由较为复杂的微处理器组成，但是在实际应用过程中，完全不必了解微处理器的
内部结构。
最初，PLC还仅是作为继电器接触器控制系统的替代品，而自从进入数控机床控制系统领域后，凸显了其独有的优越性，以其自身强大的抗干扰能力、自诊断功能等，提高了数控机床控制系统的可靠性，基本解决了普通继电器及接触器中常见的故障问题，经过调试后可长期安全可靠地运行。
本文将对PLC的特点、基本工作过程、机床数控特点原理、在数控机床控制中的应用等问题进行分析与阐述。
第1章可编程序控制器（PLC）的特点
1.1体积小重量轻
超小型的PLC底部尺寸＜100mm，重量＜150g，其功耗仅为数瓦。
由于其体积小，很容易装入机械中，便于机电一体化的实现。
1.2实用性普遍
PLC可适用于各种规模的电气控制场合，除了基本的逻
辑处理功能之外，当前大多PLC具有数据运算能力，并可应
用于数字控制领域中。
近年来，PLC的功能日益完善，PLC
的应用已经普遍到温度控制、位置控制及CNC等多个控制领域。
1.3抗干扰能力强
由于PLC采用了现代化的大规模集成电路技术，在内部
电路、生产工艺等方面均采取先进的抗干扰处理技术，具有
较高的可靠性。
另外，PLC还自备硬件故障自动检测功能，一旦出现故障即可发出警报。
在软件应用中，应用者还可编
入外围器件的自诊断故障程序，让系统中出了PLC之外的电路与设备也能获得自我保护功能。
1.4应用简单、普遍
PLC作为直接面向企业的工控设备，具有接口容易、编
程语言易于被工程技术人员接受并理解等特点，尤其图形符
号及梯形图语言、表达方式等与继电器电路图基本类似，只
需通过PLC的少量开关量逻辑控制指令就能熟练实现在电
气控制中的应用。
1.5维护与改造方便
PLC通过存储逻辑替代了接线逻辑，减少了控制设备外
在的接线，极大减少了控制系统设计和建造的时间，为后期
维护提供了方便，同时程序较易改变，可极快应用于生产过
程的改变。
第二章可编程序控制（PLC）的基本工作过程
PLC及相关外围设备的设计原则应满足“与工业控制系统为一个整体、方便功能扩展”，所有的电气控制系统的实现都是根据工艺要求，最终提高生产效率及产品质量。
因此，在
设计PLC控制系统时，应满足被控对象的基本要求，并对实际工作现场进行研究、收集资料，并实现设计人员与操作人
员的密切配合，共同拟定可操作方案，对可能潜在的问题进行共同分析、共同解决。
并在满足各方控制要求的前提下，考虑控制系统的简单性与经济性，方便后期的使用及维修，
并确保电气控制的安全性、稳定性。
PLC在电气控制中的基本工作过程为：
（1）现场信息的输入：
在系统软件的控制下，按照顺序对输入点进行扫描，并读取输入点的状态。
（2）程序的执行：
对用户程序中的指令按顺序扫描，并根据输入的状态及指令进行逻辑性运算。
（3）控制信号的输出：
根据以上逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各个输出点同时发出相应的信号，以实现所需的逻辑控制功能。
以上过程完成后，再重新开始，并反复执行，每执行一次即完成一个扫描周期。
在实际应用时，很多机械设备的工
作流程可分为一系列不断重复的顺序动作，而PLC的工作程序恰与其相似，因此PLC程序能很好地与机器动作相对应，且程序的编制简单、直观，易于修改，减少了开发软件的费
用，并缩短软件开发周期。
第三章数控机床
3.1数控机床组成结构及工作过程
本例数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、
伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图1所示。
图1数控机床组成机构图
输入装置可将不同加工信息传递于计算机。
在数控机床产生
的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰;目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。
输出指输出内部工
作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断
参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保
存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
数控装置是数控机床的
核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。
它包含微计算机的电路，各
种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。
可编程控制器对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控
制主轴转速;管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具
累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理;控制主
轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械
手取送刀等动作;还对机床外部开关（行程开关、压力开关、
温控开关等）进行控制;对输出信号（刀库、机械手、回转工作
台等）进行控制。
检测反馈装置由检测元件和相应的电路组
成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实
现闭环控制以保证数控机床加工精度。
数控机床的工作过程
如图2所示。
图2数控机床的工作过程框图
数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使
用方法等。
机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。
程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。
试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。
试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。
前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理
使用。
该项指标直接影响对机床利用率的评价（即机床实动
率）。
3.2机床数控系统需要解决的几个问题
机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。
机床控制系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。
同时为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移
动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。
PLC按照逻辑
条件进行顺序动作或按照时序动作，另外还有与顺序、时序
无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，
PLC发展成
了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品
在机床的电
气控制中应用也比较普遍。
在实际控制中如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。
精度是机床必须保证的一项性能指标。
位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。
因此位置精度是一个极为重要的指标。
为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位
置检测元件提出精度的要求。
因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。
高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。
当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数必须能作相应的修改，为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。
尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参
数，但编程器一般不能交现场操作人员使用;所以，应考虑开
发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
另外为了防止电压过高损坏PLC，电源输入端加上压敏电阻。
为了防止过热,PLC不许安装在变压器等发热元件的正上方，变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。
在元件间留有适当的空隙，以便散热，并且在配电箱上安装风扇
降温。
此外，为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。
第四章在数控机床控制中的应用
4.1永宏FBs系列PLC的NC机床定位伺服控制系统分析
数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，提高数控机
床的可靠性就显得尤为重要。
可靠度是评价可靠性的主要定
量指标之一，其定义为:
产品在规定条件下和规定时间内，完
成规定功能的概率。
对数控机床来说，这里的功能主要指数
控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。
数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性能的提升起着
极为重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有最佳的匹配性能，而且还能很好地彰显出该数控机床的个性化特征。
用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能
力，而是应具备热误差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳控制等先进控制技术的功能。
所以必须选择稳定可靠的控制单元才能保证数控机床正常高效运行。
鉴于以上各项要求，笔者采用台湾永宏电机股份有限公司的FBs-44MNPLC作为该机床控制主单元，该型机具有较高
的性价比，体积小，使用起来非常方便，接线简捷。
其编程
软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强
大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及
在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。
同时配以人机界面进行程序参数修改、设定以及运行状态显
示监控，可编程设置人机界面的内容。
该控制系统具有可靠
性高，价格便宜，结构紧凑等特点，非常适合机床的控制要
求，具体控制思路如图3所示。
图3采用永宏PLCFBs-44MN的NC机床定位电气控制
系统图
可编程逻辑控制器是该机床各项功能的逻辑控制中心，集成
于数控系统中，主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。
由图3可以看出，系统控制中心采用永宏PLCFBs-44MN控制，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可
编程设置人机界面的内容。
三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。
主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。
各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着
消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。
闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。
设计和调试都比开环系统难。
但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。
早期使用一般电机作为定位控制，由于速度不快、或者精度要求不高，所以足够应对所
需场合;当机械运转为了获取效率而将速度加快时，当产品质
量、精度要求越来越高时，电机停止位置的控制就不是一般
电机所能达到的了。
解决这一问题的最佳方法是采用NC定
位控制配合步进或伺服电机作定位控制。
但在过去，由于它的价格很高，而限制了它使用的普遍性，近年来由于技术的发展及成本的降低，其价位已被用户所接受，使用数量也越
来越多。
为配合这一趋势，永宏PLCFBs系列将目前市面上专用的NC定位控制器功能整合在PLC内部SoC芯片内，
除了免掉PLC与专用NC定位控制器之间复杂的数据交换与连结程序外，更大幅降低整体成本，为用户提供一种价廉
物美、简单方便的PLC整合NC定位控制的方案。
永宏PLCFBs-44MN内部的SoC芯片含有多轴高速脉冲输出以及高速硬件计数器，并且提供简易使用和设计的定位程序编辑，对于这方面的应用，更是如虎添翼、如鱼得水、得心应
手了。
PLC结合伺服驱动器所构成的NC闭环回路控制系统
中，PLC负责发送高速脉冲命令给伺服驱动器，除了装在伺
服电机的位移检测信号直接反馈到伺服驱动器外，外加位移
检测器装在传动机构之后，真正反映实际位移量，并将此信
号反馈到PLC内部的高速硬件计数器，这样就可作更精确
的控制，并且可避免上述半闭环回路的缺点。
永宏PLCFB
s系列的定位功能将市面上专用NC定位控制器整合在PLC
内，使PLC与NC控制器能共享相同的数据区，而不需要作
两个系统之间的数据交换与同步控制等复杂的工作，但仍可
用一般常用的NC定位控制指令（例如DRV、SPD等）。
P
LC控制4轴的定位工作，并可作多轴同动控制，除了提供
点对点的定位速度控制，还提供了各轴间直线插补功能。
当
系统应用超过4轴时还可利用永宏PLC的CPULINK功能达到更多的定位运动控制。
数控机床对位置系统要求的伺服
性能包括:
定位速度和轮廓切削进给速度;定位精度和轮廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干扰下的稳定性。
这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。
对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。
在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。
单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。
伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限
和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。
此外，从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。
全闭环伺服系统是将位置检测元件置于被测坐标轴的终端移动部件上，以检测机械传动链中螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差，并进行反馈补偿控制，从而提高机床的位置控制精度。
在全闭环伺服控制系统中，对位置检测元件和反馈元件的选择很关键。
感应同步器具有精度高、重复性好、抗干扰能力强，耐油耐污及维护简单等优点，特别适合于高精度全闭环数控机床的工作场合。
数控机床要求具备稳定性、快速性和准确性，而大型数控机床的机械传动装置转动惯量较大，固有频率低，要使其大大高于系统截止频率很困难，全闭环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的非线性因素，调整不当很容易使机床产生抖动现象。
因此数控机床全闭环伺服系统在保证快速性的基础上主要是解决机床进给运动的稳定性而获得比半闭环伺服系统高的位置精度。
伺服电机的编码器将位移检测信号反馈到伺服驱动器，驱动器将输入信号的脉冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲数，经内部的偏差计数器与频率转电压电路处理后，得到脉冲偏差值与转速误差值，这样使控制伺服电机
实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系统。
伺服电机的转速与输入信号的脉冲频率成正比，而电机的移动量则由脉冲数决定。
图4是PLC控制下的伺服电机工作示意图。
图4数控机床伺服电机工作示意图
4.2相关程序设计与操作
PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。
由于PLC工作
过程是循环，所以程序执行速度很快。
另外软件故障检测设计在采用硬件设计的基础上采用软件检测外部行程开关状态，当行程开关失灵后，通过程序控制停止机床的运行，有效地减少了机床因元件失灵造成的事故。
图5是使用编程软件WinProladder编辑定位程序参数设定指令图，图6是具体操作加工程序图。
图5定位程序参数设定指令图
图6加工程序图
写在最后，我国是一个机床生产和应用大国，但数控技术的应用水平还不高，严重制约着我国制造业水平的提高。
国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出了严
峻的挑战，同时也带来了机遇。
只有选择合适的PLC才能使定位达到预期的效果。
永宏FBs系列PLC的NC定位功能在机床数控系统设计中占有重要的地位，该机床经过长期运
行表明，整个系统设计合理，控制精度高，运行可靠，提高了生产的自动化水平，减小了操作人员的劳动强度。
结束语
在论文完成之际，我要感谢所有关心我的老师和同学。
感谢他们长期以来对我的支持、帮助和鼓励，使我大专阶段的学习和生活变得充实、积极而有意义。
首先，感谢尊敬的指导老师，感谢老师在百忙之中抽出时间对我的毕业设计进行精心指导，在我的成绩中，有您的指导，有您辛勤的汗水，研究工作自始自终都得到了老师的亲切关怀和悉心指导。
在这几年的学习和生活中，老师给予了我无微不至的关心、帮助和支持。
老师严谨的治学态度、勤奋的工作精神、对事业孜孜不倦的专研精神深深影响着我，并将使我受益终生。
最后，感谢机械系这个温暖集体中所有的老师和同学，
在这五年的大专生活中，他们给我的无私帮助和深深的友情使我的学业生涯变得绚烂多姿！
参考文献
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[2]王永华，现代电气及可编程控制技术，北京航空航天大学出版社，2002
[3]方承远,工厂电气控制技术（第三版），机械工业出版社，
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[4]龚运新，三菱PLC实用技术教程，北京师范大学，2007
[5]蔡红斌，电气与PLC控制技术，北京清华大学出版社，
2007
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